[发明专利]一种新型的磷酸钒锂/竹炭复合正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学材料制备领域，具体涉及一种高容量、大倍率、长寿命和价格便宜且环保的磷酸钒锂/竹炭复合正极材料的制备方法。

背景技术

随着不可生能源的日益短缺和人们环保意识的逐渐加强，以及目前出现的全球变暖和生态环境恶化等问题，因此人们为了可持续发展，开发利用新能源是必须解决的问题，目前出现的新能源包括风能，光能，潮汐能清洁可持续的资源，而电池作为这些能源的能量储存、转换具有非常重大的意义。

目前商业化的氧化物锂离子电池存在安全不稳定等因素，因此人们需要研发更高能量密度和高安全性能的正极材料来满足这一问题；聚阴离子材料具有非常稳定的结构，即使在放电过程中脱出锂离子与过渡金属原子物质的量比大于1时，仍然有非常好的结构稳定性，这一特性正好满足了人们的要求，目前运用的聚阴离子材料主要是磷酸铁锂，与磷酸铁锂正极材料相比，同样作为聚阴离子材料的磷酸钒锂有着更为独到的优势，尖晶石磷酸钒锂的结构使它有了3维锂离子扩散通道，更高的热力学稳定性，更高的电压平台，更高的电子电导率和理论比能量等特性。

但是，磷酸钒锂晶体中原子的紧密堆积方式使锂离子扩散系数和导电率较低，因此倍率性能差；同时，磷酸钒锂的振实密度小，导致磷酸钒锂电池体积比容量小，从而成为其制备和大规模应用的技术“瓶颈”。采取的改进措施主要有：

（1）碳包覆。碳的引入既能提高电子导电率，又可抑制合成过程中磷酸钒锂颗粒的长大，从而大大提高磷酸钒锂的倍率性能。但碳的密度小，导致掺碳后磷酸钒锂的振实密度减小，影响了电池的体积比容量。

（2）掺杂金属离子。通过在磷酸钒锂的锂位或钒位掺杂，既可提高磷酸钒锂的电导率，又可有效阻止磷酸钒锂颗粒的聚集长大，从而减少了锂离子脱嵌的阻力，提高了活性颗粒内部的导电性，但会使磷酸钒锂的理论容量降低。

（3）合成纳米粒子。通过优化合成工艺，改善活性粒子的形貌和减小活性粒子的尺寸，也是改善磷酸钒锂电化学性能的有效方法，但粒径越小，振实密度也越小。目前，这些措施均不能完全克服磷酸钒锂的缺点，达到最佳效果。

本发明提供一种崭新的磷酸钒锂/竹炭复合正极材料，该复合正极材料在目前的文献中还没有报道。该复合材料可同时将纳米、微球、碳覆、形貌控制进行集成，各种优势互相协同，对于磷酸钒锂技术“瓶颈”的突破起重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高容量、大倍率、长寿命和价格便宜且环保的竹炭包覆的新型磷酸钒锂/竹炭复合正极材料制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的磷酸钒锂/竹炭复合正极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）竹炭纯化：首先进行干馏炭化（氩气保护，炭化温度800 ℃，炭化时间6 h），然后将烧制好的竹炭放到玛瑙研钵中，与KOH混合研磨，最后在微波中进行活化后，冷却到室温得到预处理的竹炭；

（2）磷酸钒锂前驱体的制备：以五氧化二钒，锂源、磷酸二氢铵或磷酸和碳源为原料溶解在一定量的去离子水中，在50-80 ℃水浴锅中充分搅拌，并蒸发水分至溶胶形成，并在真空干燥箱120 ℃干燥8 h得到磷酸钒锂前驱体；

（3）磷酸钒锂/竹炭复合正极材料：将（1）中制得的纯化过的竹炭与（2）中制得的磷酸钒锂前驱体按一定配比混合，竹炭加入量为磷酸钒锂量的1-15%；在50-80 ℃水浴中蒸发水分至溶胶形成，冷却至室温得到磷酸钒锂前驱体。将此前驱物混合并研磨放入模具中，在一定压力下压制成圆饼状，然后置于瓷舟中，上面覆盖SP粉末，在微波炉中加热5-30 min，冷却至室温，取出后研磨得到磷酸钒锂/竹炭复合材料样品。

所述的竹炭为竹节、竹根、竹径中的至少一种；竹炭与KOH的质量比为1-2 : 4-5，微波活化时间为5-25 min。

步骤（2）中以五氧化二钒，锂源、磷酸二氢铵或磷酸和碳源的质量比为：0.9-1.1 : 1.4-3.1 : 2.9-3.1 : 0.4-3。

所述的锂源为氢氧化锂、氟化锂、碳酸锂、乙酸锂中的至少一种。

所述的碳源为水杨酸、柠檬酸、抗坏血酸、酒石酸、蔗糖中的至少一种。

本发明中，所述的活化后的竹炭具有丰富的孔径，且比表面积大。